一种电气化铁路双流制牵引供电系统及供电方法

摘要

本发明公开了一种电气化铁路双流制牵引供电系统及供电方法，该系统包括：交流供电组件,用来提供交流供电，在其中一相上设置有第三断路器和第三隔离开关，在另外一相上设置有第四断路器和第四隔离开关；直流供电组件，用来提供直流供电，包括两个结构相同的直流变换单元，通过将牵引变压器副变两相电压分别经过一个直流变换单元得到所需直流电；所述两个直流变换单元中一个的第一断路器、第二断路器的分合闸与第三断路器形成互锁，另外一个直流变换单元中一个的第一断路器、第二断路器的分合闸与第四断路器形成互锁。该方法是基于上述供电系统的供电方法。本发明具有结构原理简单、操作简便、适用范围广、运行高效经济等优点。

权利要求

1.一种电气化铁路双流制牵引供电系统，其特征在于，包括：

交流供电组件（1）,用来提供交流供电，经由牵引变压器变换成两相AC 27.5kV电源，分别提供α臂和β臂电源，在其中一相上设置有第三断路器（8）和第三隔离开关（9），在另外一相上设置有第四断路器（10）和第四隔离开关（11）；

直流供电组件，用来提供直流供电，包括两个结构相同的直流变换单元，通过将牵引变压器副边两相电压分别经过一个直流变换单元得到所需直流电，两个直流变换单元分别提供α臂和β臂电源；直流变换单元包括第一断路器（4）、第一隔离开关（5）、第二断路器（6）、第二隔离开关（7）及单相多重化整流器（3）；通过第一断路器（4）、第一隔离开关（5）从牵引变压器副边一相取电，经过单相多重化整流器（3）变换后得到所需直流电，再经过第二断路器（6）、第二隔离开关（7）接入接车供电线路；

所述两个直流变换单元中一个的第一断路器（4）、第二断路器（6）的分合闸与第三断路器（8）形成互锁，另外一个直流变换单元中一个的第一断路器（4）、第二断路器（6）的分合闸与第四断路器（10）形成互锁。

2.根据权利要求1所述的电气化铁路双流制牵引供电系统，其特征在于，所述单相多重化整流器（3）包括单相多绕组变压器（13）和N个相同拓扑的单相H桥整流器，所述单相多绕组变压器（13）原边一个绕组，副边有N个绕组，每个绕组电压相同，每个绕组后接一个单相H桥整流器，单相H桥整流器输出通过先级联后再并联至直流母排上。

3.根据权利要求2所述的电气化铁路双流制牵引供电系统，其特征在于，所述单相H桥整流器包括4个半导体开关器件和双极隔离开关（QS），输入与所述单相多绕组变压器（13）副边对应绕组相连，输出根据整流器级联和并联方式连接。

4.一种基于上述权利要求1～3中任一项所述供电系统的供电方法，其特征在于，流程为：

（1）开始后，先判断是否需要更换工作模式，如果为否，则保持现有供电模式；如果为是，则执行步骤（2）；

（2）判断是否为交流供电；

（3）如果步骤（2）判断为是，则分闸第一直流变换单元（2）和第二直流变换单元（12），α臂交流供电，β臂交流供电，执行牵引网交流供电模式；

（4）如果步骤（2）判断为否，则分闸第三断路器（8）和第四断路器（10）、合闸第二直流变换单元（12）与第一直流变换单元（2）中的断路器，α臂直流供电，β臂直流供电，执行牵引网直流供电模式。

说明书

一种电气化铁路双流制牵引供电系统及供电方法

技术领域

[0001] 本发明主要涉及到机车供电系统领域，特指一种适用于电气化铁路的双流制牵引供电系统及供电方法。

背景技术

[0002] 目前，我国运行的机车既有AC27.5kV牵引供电系统交流供电的电气化铁路交流机车和DC1500或DC750V牵引供电系统直流供电的城轨机车。这两类机车的牵引供电系统是独立分开的，只能通过与之相匹配的机车。

[0003] 随着城市轨道交通建设的迅猛发展，电力牵引以其高效、快捷、节能的特点正在更加广泛地应用于城市轨道交通领域，不排除将来使用更高直流电压供电的可能，也可能从单一线路到多条线路，从城内到城际，从单一的地下铁道系统到地下-地面-高架相结合的多元系统，我国电气化铁道建设越来越注重联网效益，减少土地等的使用，以充分提高国有资源的利用率。

[0004] 我国实施电气化铁路几十年，有着十分丰富的电气化铁路牵引供电系统设计和运行经验。所以关于为交流供电机车供电的27.5kV工频单相交流电供电系统技术很成熟。同时随着我国城市轨道交通如火如荼的发展和建设，我国的城市轨道牵引直流供电系统技术也很成熟。然而目前，我国轨道交通机车有铁路电力机车采用27.5kV工频单相交流电和城市轨道交通机车采用1500V/750V直流电。由于电压等级和电流制的不同，铁路电力机车牵引供电系统和城市轨道交通机车牵引供电系统一般采用各自独立的单制式供电。另外我国主机厂生产的不同电压等级和电流制的机车也需要不同的试验供电系统给相应的电压和电流制的机车线路供电，现在我国直流牵引供电系统直流电压多采用三相多重化二极管整流获取，存在电压不可调，无法实现能量回馈等缺点。

[0005] 综上所述，如何能够提出一种可靠、高效、经济的电气化铁路双流制供电系统，用于在电力机车牵引与城轨车辆牵引过渡困难地段，及需要对两种车辆进行试车的大型车辆厂、机务段试车线，建设交流供电机车与直流供电机车双制式牵引供电系统，使其既可以对铁路电力牵引车辆进行供电，也可以对城市轨道交通车辆进行供电，使尽可能的运行高效、经济，使尽可能减少重复建设，避免巨大的资源浪费，很有必要。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构原理简单、操作简便、适用范围广、运行高效经济的电气化铁路双流制牵引供电系统及供电方法。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

[0008] 一种电气化铁路双流制牵引供电系统，包括：

[0009] 交流供电组件,用来提供交流供电，经由牵引变压器变换成两相AC 27.5kV电源，分别提供α臂和β臂电源，在其中一相上设置有第三断路器和第三隔离开关，在另外一相上设置有第四断路器和第四隔离开关；

[0010] 直流供电组件，用来提供直流供电，包括两个结构相同的直流变换单元，通过将牵引变压器副边两相电压分别经过一个直流变换单元得到所需直流电，两个直流变换单元分别提供α臂和β臂电源；直流变换单元包括第一断路器、第一隔离开关、第二断路器、第二隔离开关及单相多重化整流器；通过第一断路器、第一隔离开关从牵引变压器副边一相取电，经过单相多重化整流器变换后得到所需直流电，再经过第二断路器、第二隔离开关接入接车供电线路；

[0011] 所述两个直流变换单元中一个的第一断路器、第二断路器的分合闸与第三断路器形成互锁，另外一个直流变换单元中一个的第一断路器、第二断路器的分合闸与第四断路器形成互锁。

[0012] 作为本发明的进一步改进：所述单相多重化整流器包括单相多绕组变压器和N个相同拓扑的单相H桥整流器，所述单相多绕组变压器原边一个绕组，副边有N个绕组，每个绕组电压相同，每个绕组后接一个单相H桥整流器，单相H桥整流器输出通过先级联后再并联至直流母排上。

[0013] 作为本发明的进一步改进：所述单相H桥整流器包括4个半导体开关器件和双极隔离开关QS，输入与所述单相多绕组变压器副边对应绕组相连，输出根据整流器级联和并联方式连接。

[0014] 本发明进一步公开了一种基于上述供电系统的供电方法，其流程为：

[0015] （1）开始后，先判断是否需要更换工作模式，如果为否，则保持现有供电模式；如果为是，则执行步骤（2）；

[0016] （2）判断是否为交流供电；

[0017] （3）如果步骤（2）判断为是，则切除第一直流变换单元和第二直流变换单元，α臂交流供电，β臂交流供电，执行牵引网交流供电模式；

[0018] （4）如果步骤（2）判断为否，则分第三断路器和第四断路器、投第二直流变换单元与第一直流变换单元中的断路器，α臂直流供电，β臂直流供电，执行牵引网直流供电模式。

[0019] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0020] （1）本发明采用直流系统采用在交流系统牵引变压器副边增加设备，设备利用率高，技术成熟，，施工难度低，改造成本低。

[0021] （2）本发明的直流系统整流器为单相多重化整流，输出级先串后并，结构灵活多变 ，可以输出各等级的直流电压。

[0022] （3）本发明的直流系统整流器为采用单相变压器和可控半导体器件，其整流器输出电压可以连续调节，网侧功率因数高，输入谐波低，可以实现机车制动能量回馈电网。

[0023] （4）本发明的直流输出可以方便的实现并联冗余，系统供电可靠性高。

[0024] （5）本发明中直流供电系统采用单相多重化整流器实现，可提供多电压制输出。所以本发明不仅可以适用目前国内DC1500V和DC750V的直流供电机车的情况，还可以适用国外DC3000V或后续为进一步提高牵引效率采用更高额直流电压供电机车的情况，并且可以通过控制可以解决二极管整流输入侧功率因数低的问题，还能解决直流机车制动时的能量回馈电网的问题，可用于解决主机厂生产的直流供电机车和交流供电机车要重复建设试验线路的问题，可以解决交流供电机车和直流供电机车在同一电气化铁路运行的问题，可以解决多种供电电压等级的直流供电机车线路相同的问题。

附图说明

[0025] 图1是本发明系统在具体应用时的结构原理示意图。

[0026] 图2是本发明方法的流程示意图。

[0027] 图3是本发明在具体实施例中单相多重化整流器的原理示意图。

[0028] 图4是本发明在具体实施例中单相H桥整流器的原理示意图。

[0029] 图例说明：

[0030] 1、交流供电组件；2、第一直流变换单元；3、单相多重化整流器；4、第一断路器；5、第一隔离开关；6、第二断路器；7、第二隔离开关；8、第三断路器；9、第三隔离开关；10、第四断路器；11、第四隔离开关；12、第二直流变换单元；13、单相多绕组变压器。

具体实施方式

[0031] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

[0032] 本发明的电气化铁路双流制牵引供电系统，包括交流供电组件1和直流供电组件。

[0033] 本发明中交流供电组件1用来提供AC27.5kV交流供电，其与传统的电气化铁路供电系统类似，即它的作用是将外部三相AC110kV或AC220kV电源经由牵引变压器变换成两相AC 27.5kV电源，分别提供α臂和β臂电源，但是在供电线路线径的选择要兼顾直流机车牵引供电电流的大小。在其中一相上设置有第三断路器8和第三隔离开关9，在另外一相上设置有第四断路器10和第四隔离开关11。

[0034] 本发明中直流供电组件用来提供DC3000V或DC1500V或DC750V或其他电压等级的直流供电，其包括第一直流变换单元2和第二直流变换单元12；它是通过将牵引变压器副边两相27.5kV分别经过第一直流变换单元2、第二直流变换单元12得到所需直流电，并分别提供α臂和β臂电源。

[0035] 在上述结构中，本发明是通过开关动作联锁来实现机车供电线路两种电源之间的切换。

[0036] 第一直流变换单元2包括第一断路器4、第一隔离开关5、第二断路器6、第二隔离开关7及单相多重化整流器3；通过第一断路器4、第一隔离开关5从牵引变压器副边一相取电，经过单相多重化整流器3变换后得到所需直流电，再经过第二断路器6、第二隔离开关7接入接车供电线路。其中，第一断路器4、第二断路器6的分合闸必须与第三断路器8形成互锁。即，第一断路器4、第二断路器6合闸时必须首先保证第三断路器8处于分闸；第三断路器8合闸时必须首先保证第一断路器4、第二断路器6处于分闸；第一断路器4、第二断路器6合位时，第三断路器8必须分闸；第三断路器8合位时，第一断路器4、第二断路器6必须分闸。

[0037] 第二直流变换单元12的结构与第一直流变换单元2的结构相同，其也对应与第四断路器10和第四隔离开关11的连锁关系跟第一直流变换单元2与第三断路器8和第三隔离开关9相同。同时，支路断路器与隔离开关符合“五防”要求。

[0038] 本实施例中，单相多重化整流器3将单相27.5kV交流电转换成DC3000V或DC1500V或其他电压等级的直流电。如图3所示，单相多重化整流器3由单相多绕组变压器13和N个相同拓扑的单相H桥整流器（PM1，…，PMN）组成。单相多绕组变压器13原边一个绕组，原边电压27.5kV，副边有N个绕组，，根据单相H桥整流器额定输出确定。每个绕组后接一个单相H桥整流器，单相H桥整流器输出通过先级联后再并联至直流母排上。级联的数量n根据供电线路工作要工作最大的直流电压和单个H桥直流输出能力确定，n为自然数，绕组数量N是级联数n的整数倍。例如，单相H桥整流器额定输出DC750V，供电线路要在DC3000V时，则需要n=4，再N/4个这样的整流机组并联。

[0039] 如图4所示，本实施例中的单相H桥整流器（PM1，…，PMN），由4个半导体开关器件VT1、VT2、VT3、VT4（如IGBT组件）和双极隔离开关QS组成，输入与单相多绕组变压器13副边对应绕组相连，输出根据整流器级联和并联方式连接。

[0040] 采用本发明的上述结构，就能在同一牵引供电线路提供两种不同性质的供电电压，一种AC27.5kV交流电和一种DC3000V或DC1500V或其他电压等级的直流电。也就是说，本发明可以实现同一牵引供电系统为交流供电机车和直流供电机车提供两种不同类型的供电电流，从而可以令不同供电方式的机车在同一牵引供电线路上行驶。

[0041] 本发明的基本原理是在将利用传统电气化铁路牵引供电系统设计方法，考虑直流供电时电流大小来选择新供电系统线路电流参数，按传统电气化铁路牵引供电线路电压来选择供电线路电压绝缘和保护参数，并在牵引变压器副边两相各经过单相多重化整流器提供直流电供牵引网，达到牵引网在AC27.5kV电源和直流电源之间二选一。

[0042] 本发明进一步提供一种基于上述供电系统的供电方法，其流程如图2所示，所供牵引线路根据机车供电类型选择是否需要更改现有供电类型，若需要选择是交流供电还是直流供电，是交流供电就进入交流供电模式，非交流供电就进入直流供电模式，从而在机车进入该供电线路之前转换成所需的供电方式。具体流程为：

[0043] （1）开始后，先判断是否需要更换工作模式，如果为否，则保持现有供电模式；如果为是，则执行步骤（2）；

[0044] （2）判断是否为交流供电；

[0045] （3）如果步骤（2）判断为是，则切除第一直流变换单元2和第二直流变换单元12，α臂交流供电，β臂交流供电，执行牵引网交流供电模式；

[0046] （4）如果步骤（2）判断为否，则分第三断路器8和第四断路器10、投第二直流变换单元12与第一直流变换单元2中的断路器，α臂直流供电，β臂直流供电，执行牵引网直流供电模式。

[0047] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。